ระบบโลกเป็นศูนย์กลาง
มนุษย์พยายามจะทำความเข้าใจเรื่องจักรวาล โดยทำการศึกษาการเคลื่อนที่ของวัตถุท้องฟ้ามาแต่โบราณ ประมาณ 800 ปีก่อนคริสตกาล ชาวบาบีโลนได้สร้างปฏิทินโดยการศึกษาการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์ผ่านหน้ากลุ่มดาวจักราศี 12 กลุ่ม พวกเขาได้ตั้งชื่อ ดวงอาทิตย์ ดวงจันทร์ และดาวเคราะห์ที่มองเห็นด้วยตาเปล่าทั้งห้าดวง ขึ้นเป็นชื่อวันในสัปดาห์ วันอาทิตย์, วันจันทร์, วันอังคาร, … ถึง วันเสาร์ ตามที่เราได้ใช้กันอยู่ตราบจนทุกวันนี้
600 ปีก่อนคริสตกาล พีธากอรัส (Pythagoras) นักปราชญ์ชาวกรีกได้สร้างแบบจำลองของจักรวาล แสดงตำแหน่งของโลกตั้งอยู่ ณ ศูนย์กลางซึ่งล้อมรอบด้วยทรงกลมฟ้า (Celestial sphere) อันเป็นที่ตีั้งของดวงดาวทั้งหลาย ทรงกลมฟ้าซึ่งเคลื่อนที่ในทิศตรงกันข้ามกับดวงอาทิตย์และดวงจันทร์ ดังภาพที่ 1
สองร้อยห้าสิบปีต่อมา (250 ปีก่อนคริสตกาล) อริสโตเติล นักปราชญ์ชาวกรีกผู้มีชื่อเสียง ได้ปรับปรุงแบบจำลองระบบสุริยะของพิธากอรัส โดยเพิ่มทรงกลมใสข้างในอีก 7 ชั้น เพื่อเป็นที่ตั้งของ ดวงอาทิตย์ ดวงจันทร์ และดาวเคราะห์ที่มองเห็นด้วยตาเปล่าอีก 5 ดวง ได้แก่ ดาวพุธ ดาวศุกร์ ดาวอังคาร ดาวพฤหัสบดี และดาวเสาร์ ทรงกลมทั้งเจ็ดเคลื่อนที่สวนทางกับทรงกลมท้องฟ้า และเคลื่อนที่จากทางทิศตะวันตกไปยังทิศตะวันออกด้วยความเร็วที่แตกต่างกันไป อริสโตรเติลให้ความเห็นว่า ดวงอาทิตย์และดวงจันทร์เป็นทรงกลมที่สมบูรณ์ (มีผิวเรียบ) ทั้งดาวฤกษ์ ดวงอาทิตย์ ดวงจันทร์ และดาวเคราะห์ต่างเคลื่อนที่รอบโลกซึ่งเป็นศูนย์กลางของจักรวาล การเคลื่อนที่ของวัตถุบนโลกมีสองชนิด คือ การเคลื่อนที่ในแนวราบเรียกว่า “แรง” (Force) ส่วนการเคลื่อนที่ในแนวดิ่งเป็น “การเคลื่อนที่ตามธรรมชาติ” (Natural motion) มิได้มีแรงอะไรมากระทำ ทุกสรรพสิ่งต้องเคลื่อนที่เข้าหาศูนย์กลางของโลกเนื่องจาก “โลกเป็นศูนย์กลางของจักรวาล” (Geocentric)
ปี ค.ศ.125 (พ.ศ.668) คลอเดียส ทอเลมี (Claudius Ptolemy) นักดาราศาสตร์ชาวกรีก ได้ปรับปรุงแบบจำลองของอริสโตรเติลให้สอดคล้องกับผลที่ได้จากการสังเกตการณ์ เขาสังเกตว่า ในบางครั้งดาวเคราะห์เคลื่อนที่ถอยหลัง (Retrograde motion) เมื่อเทียบกับกลุ่มดาวจักราศีที่อยู่ด้านหลัง ดังภาพที่ 3
ทอเลมี เขียนตำราดาราศาสตร์ฉบับแรกของโลกชื่อ “อัลมาเจสท์” (Almagest) โดยใช้หลักการเรขาคณิตอธิบายว่า โลกเป็นทรงกลมหยุดนิ่งอยู่กับที่ตรงศูนย์กลางของจักรวาล มีดาวเคราะห์ทั้งเจ็ด ได้แก่ ดวงอาทิตย์ ดวงจันทร์ และดาวเคราะห์ห้าดวงที่มองเห็นด้วยตาเปล่า เป็นบริวารโคจรล้อมรอบ ปรากฏการณ์ดาวเคราะห์เคลื่อนที่สวนทางกับกลุ่มดาวจักราศี (Retrograde motion) เกิดขึ้นเนื่องจาก ดาวเคราะห์ทั้งเจ็ดเคลื่อนที่อยู่บนวงกลมขนาดเล็กเรียกว่า “เอปิไซเคิล” (Epicycle) ซึ่งวางอยู่บนวงโคจรรอบโลกอีกทีหนึ่ง ดังที่แสดงในภาพที่ 4 ทอเลมีไม่ได้อธิบายถึงมูลเหตุของวงกลมเล็ก เขาเพียงสร้างวงกลมเล็กขึ้นเพื่อเป็นทางออกสำหรับคำตอบในสิ่งที่เขาเห็น อย่างไรก็ตามแบบจำลองนี้เป็นที่ยอมรับกันเป็นเวลาหนึ่งพันปีกว่าต่อมา ก่อนที่จะถูกค้านโดยนิโคลัส โคเปอร์นิคัส
ในปี ค.ศ.1576 (พ.ศ.2119) ไทโค บราฮ์ (Tycho Brahe) นักดาราศาสตร์ชาวเดนมาร์กได้สร้างหอดูดาว Uraniborg เพื่อติดตั้งควอดแดรนท์ (Quadrant) ซึ่งเป็นอุปกรณ์วัดมุมดาวขนาดรัศมี 1.96 เมตร ดังแสดงในภาพที่ 5 เพื่อทำการวัดตำแหน่งการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์อย่างละเอียด โดยมีโจฮานเนส เคปเลอร์ นักคณิตศาสตร์ชาวเยอรมันเป็นผู้ช่วยวิเคราะห์ข้อมูล
แม้ว่าจะทำการตรวจวัดตำแหน่งของดาวเคราะห์อย่างละเอียด ไทโคก็ยังเชื่อในแบบจำลองระบบสุริยะของเขาว่า ดวงอาทิตย์และดวงจันทร์โคจรรอบโลก โดยที่ดาวเคราะห์ทั้งห้า ซึ่งได้แก่ ดาวพุธ ดาวศุกร์ ดาวอังคาร ดาวพฤหัสบดี และดาวเสาร์โคจรล้อมรอบดวงอาทิตย์ ดังที่แสดงในภาพที่ 6 อย่างไรก็ตามในเวลาต่อมาไม่นาน เคปเลอร์ได้ประกาศ กฎการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์รอบดวงอาทิตย์
ในปี ค.ศ.125 คลอเดียส ปโตเลมี (Claudius Ptolemy) นักดาราศาสตร์ชาวกรีก ได้แต่งตำราดาราศาสตร์ฉบับแรกของโลก ชื่อว่า “อัลมาเจสท์” (Almagest) ปโตเลมีทำการศึกษาการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์ ด้วยหลักการทางเรขาคณิตอย่างละเอียด โดยระบุว่า โลกเป็นทรงกลมอยู่ตรงใจกลางของจักรวาล โลกหยุดนิ่งไม่มีการเคลื่อนไหว เขาให้เหตุผลอธิบาย การเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์ทั้งเจ็ด (รวมดวงอาทิตย์ และดวงจันทร์) ซึ่งเคลื่อนไปข้างหน้า และบางครั้งก็เคลื่อนที่ย้อนทาง (Retrograde) สวนกับกลุ่มดาวจักราศี บนทรงกลมท้องฟ้า ดังที่แสดงในภาพที่ 2 ว่า การที่เรามองเห็นดาวเคราะห์เคลื่อนที่ย้อนกลับไปมานั้น เป็นเพราะดาวเคราะห์ทั้งเจ็ด เคลื่อนที่อยู่บนวงกลมขนาดเล็กซึ่งเรียกว่า “เอปิไซเคิล” (Epicycle) ซึ่งวางอยู่บนวงโคจรรอบโลกอีกทีหนึ่ง
แบบจำลองของปโตเลมีได้รับการยอมรับกันในวงการวิทยาศาสตร์โบราณมานานกว่า 1,400 ปี จนกระทั่งในปี ค.ศ.1514 นิโคลาส โคเปอร์นิคัส (Nicolaus Copernicus) บาทหลวงชาวโปแลนด์ ได้ทำการศึกษาเรื่องการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์นานถึง 20 ปี ได้เสนอแนวความคิดซึ่งมีระบบดวงอาทิตย์เป็นศูนย์กลาง
- ทรงกลมท้องฟ้าทั้งหมด (ซึ่งเป็นที่ตั้งของดาวฤกษ์และดาวเคราะห์ เคลื่อนที่รอบดวงอาทิตย์ โดยมีดวงอาทิตย์อยู่ที่ศูนย์กลางของจักรวาล
- ระยะทางจากโลกไปยังทรงกลมท้องฟ้าซึ่งเป็นที่ตั้งของดาวฤกษ์ อยู่ไกลกว่า ระยะทางจากโลกไปยังดวงอาทิตย์
- การเคลื่อนที่ของทรงกลมท้องฟ้าปรากฏสัมพัทธ์กับเส้นขอบฟ้าในแต่ละวัน เป็นผลมาจากการที่โลกหมุนรอบแกนของตัวเอง
- การเคลื่อนที่ย้อนกลับ (Retrograde motion) ของดาวเคราะห์ เกิดขึ้นเนื่องจากการเคลื่อนที่ไปตามวงโคจรของโลกสัมพัทธ์กับการเคลื่อนที่ไปตามวงโคจรของดาวเคราะห์
